工业机器人视觉系统组成及介绍模板课件.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,By Brad Lucas,工业机器人视觉系统组成及介绍,视觉系统,模拟相机视觉系统,数字相机视觉系统,0.,机器视觉系统组成架构,1.,相机的概念,2.,相机的分类,（,1,）芯片类型,（,2,）传感器结构特性,（,3,）扫描方式,（,4,）分辨率大小,（,5,）输出信号方式,（,6,）输出色彩,（,7,）输出信号速度,（,8,）响应频率范围,（,9,）深度的计算方式,一,.,工业相机篇,3.,相机的主要参数,4.,工业相机与普通相机的区别,5.,工业相机选型的依据,（,1,）应用的不同,（,2,）分辨率的选择,（,3,）与镜头的匹配,（,4,）相机帧数选择,6.,几种摄像机的参数实例,工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件，其最本质的功能就是将光信号转变成有序的电信号。

灰度值的产生：,1.,相机的概念,（,1,）芯片类型,CCD,相机、,CMOS,相机,(,CCD,图像传感器提供较好的质量,，,而,CMOS,图像传感器按电池寿命和低成本来说能提供更好的性能,),（,2,）传感器结构特性,线阵相机、面阵相机,（,3,）扫描方式,隔行扫描相机、逐行扫描相机,2.,相机的分类,（,4,）分辨率大小,普通分辨率相机、高分辨率相机,（,5,）输出信号方式,模拟相机、数字相机,（,6,）输出色彩,单色相机、彩色相机,（,7,）输出信号速度,普通速度相机、高速相机,（,8,）响应频率范围,可见光（普通）相机、红外相机、紫外相机等,（,9,）深度的计算方式,单目,RGB,摄像机、双目摄像机、,RGBD,摄像机,1.,分辨率（,Resolution,）,：,相机每次采集图像的像素点数（,Pixels,），对于数字相机一般是直接与光电传感器的像元数对应的，对于模拟相机机则是取决于视频制式，,PAL,制为,768*576,，,NTSC,制为,640*480,，模拟相机已经逐步被数字相机代替，且分辨率已经达到,6576*4384,2.,像素深度（,Pixel Depth,）：,即每像素数据的位数，一般常用的是,8Bit,，,对于数字相机机一般还会有,10Bit,、,12Bit,、,14Bit,等。

3.,最大帧率（,Frame Rate,）,/,行频（,Line Rate,）：,相机采集传输图像的速率，对于面阵相机一般为每秒采集的帧数（,Frames/Sec.,），,对于线阵相机为每秒采集的行数（,Lines/Sec.,）4.,曝光方式（,Exposure,）和快门速度（,Shutter,）：,对于线阵相机都是逐行曝光的方式，可以选择固定行频和外触发同步的采集方式，曝光时间可以与行周期一致，也可以设定一个固定的时间；面阵相机有帧曝光、场曝光和滚动行曝光等几种常见方式，数字相机一般都提供外触发采图的功能快门速度一般可到,10,微秒，高速相机还可以更快3.,相机的主要参数,5.,像元尺寸（,Pixel Size,）：,像元大小和像元数（分辨率）共同决定了相机靶面的大小数字相机像元尺寸为,3m10m,，一般像元尺寸越小，制造难度越大，图像质量也越不容易提高6.,靶面尺寸：,也就是图像传感器感光部分的大小一般用英寸来表示，和电视机一样，通常这个数据指的是这个图像传感器的对角线长度，如常见的有,1/3,英寸，,靶面越大，意味着通光量越好，而靶面越小则比较容易获得更大的景深,比如,1/2,英寸可以有比较大的通光量，而,1/4,英寸可以比较容易获得较大的景深。

7.,光谱响应特性（,Spectral Range,）：,是指该像元传感器对不同光波的敏感特性，一般响应范围是,350nm,1000nm,，一些相机在靶面前加了一个滤镜，滤除红外光线，如果系统需要对红外感光时可去掉该滤镜8.,接口类型：,数字相机有,Camera Link,接口，以太网接口，,1394,接口、,USB,接口输出，目前最新的接口有,CoaXPress,接口9.,触发方式（对于同步非常重要！）：,硬触发（控制高低电平来进行快门曝光的控制），软触发（通过软件主动查询信号或仪器当前状态，符合条件则控制系统采集信号，精度不如硬触发）CCD&CMOS,靶面,越大，则对应的视,野角越大CCD&CMOS,靶面大小,1.,工业相机的性能稳定可靠易于安装，相机结构紧凑结实不易损坏，连续工作时间长，可在较差的环境下使用，一般的数码相机是做不到这些的2.,工业相机输出的是裸数据,(raw data),，其光谱范围也往往比较宽，比较适合进行高质量的图像处理算法，例如机器视觉,(Machine Vision),应用而普通相机拍摄的图片，其光谱范围只适合人眼视觉，并且经过了,mjpeg,压缩，图像质量较差，不利于分析处理。

3.,工业相机,(Industrial Camera),相对普通相机,(DSC),来说价格较贵4.,工业相机与普通相机的区别,（,1,）应用的不同,用在视觉自动检查的方案或行业中一般用,CCD,工业相机比较多CMOS,工业相机由成本低，功耗低也应用越来越广泛2,）分辨率的选择,首先考虑待观察或待测量物体的精度，根据精度选择分辨率5.,工业相机选型的依据,（,3,）与镜头的匹配,传感器芯片尺寸需要小于或等于镜头尺寸，,C,或,CS,安装座也要匹配（或者增加转接口）镜头和摄像机之间的接口有许多不同的类型，工业摄像机常用的包括,C,接口、,CS,接口、,F,接口、,V,接口、,T2,接口、徕卡接口、,M42,接口、,M50,接口,等接口类型的不同和镜头性能及质量并无直接关系，只是接口方式的不同，一般可以也找到各种常用接口之间的转接口C,接口和,CS,接口是工业摄像机最常见的国际标准接口，为,1,英寸,32UN,英制螺纹连接口,，,C,型接口和,CS,型接口的螺纹连接是一样的，区别在于,C,型接口的后截距为,17.5mm,，,CS,型接口的后截距为,12.5mm,所以,CS,型接口的摄像机可以和,C,口及,CS,口的镜头连接使用，只是使用,CS,口镜头时需要加一个,5mm,的接圈；,C,型接口的摄像机不能用,CS,口的镜头。

F,接口,镜头是,尼康镜头,的接口标准，所以又称尼康口，也是工业摄像机中常用的类型，,一般摄像机靶面大于,1,英寸时需用,F,口的镜头,V,接口,镜头是著名的,专业镜头品牌施奈德镜头,所主要使用的标准，一般也用于摄像机靶面较大或特殊用途的镜头4,）相机帧数选择,当被测物体有运动要求时，要选择帧数高的工业相机但一般来说分辨率越高，帧数越低有效像素数是指：,真正参与感光成像的,像素值模拟相机,USB,摄像机,1.,电子卷帘快门,(electronic rolling,shutter),2.,全局快门,(global shutter/,snapshot shutter),GIGE,千兆网相机,RGBD,摄像机,1.,镜头的定义,2.,镜头的分类,3.,镜头参数,4.,像差,二,.,工业镜头篇,光学镜头是机器视觉系统中必不可少的部件，直接影响成像质量的优劣，影响算法的实现和效果1.,镜头,2.,镜头的分类,按外形功能分,按尺寸大小分,按光圈分,按变焦类型分,按焦距长矩分,球面镜头,1”25mm,自动光圈,电动变焦,长焦距镜头,非球面镜头,1/2”13mm,手动光圈,手动变焦,标准镜头,针孔镜头,1/3”8.5mm,固定光圈,固定焦距,广角镜头,鱼眼镜头,2/3”17mm,微距镜头,（,1,）镜头的,成像尺寸,：不得小于,CCD,（,CMOS,）的靶面尺寸。

2,）镜头的,分辨率,：以每毫米能够分辨的黑白条纹数为计量单位3,）镜头,焦距,与,视野角度,：,首先根据摄像头到被监控目标的距离，选择镜头的焦距，镜头焦,距,f,确定后，则由摄像头靶面决定了视野4,）,光圈,F,值,=,镜头的焦距,/,镜头光圈的直径,光圈的作用在于决定镜头的进光量,，,F,后面的数值越小，光圈越大，,而进光量也就越多；反之，则越小简单的说，在快门速度（曝,光速度）不变的情况下，光圈,F,数值越小光圈就越大，进光量越多，,画面比较亮；光圈,F,数值越大光圈就越小，画面比较暗3.,镜头参数,4.,像差,1.,定义,2.,光源参数,3.,光源分类,4.,光源与被测物间的相互作用,5.,如何利用光源,三,.,工业光源篇,物理学上光源：指能发出一定波长范围的电磁波（包括可见光与紫外线、红外线、,X,射线等不可见光）的物体通常指能发出可见光的发光体凡物体本身能发光者，称做光源，又称发光体1.,光源,1.,色温：,色温是描述光源色谱特性的简单方法低色温意味暖光（偏黄红），而高色温意味冷光（偏蓝）色温的标准单位为,Kelvin,简称,k,2.,白平衡：,白平衡是一种让数字相机适应场景主体光色温的一种技术。

白平衡通过调整感光器的输出来实现因此说到底，调整白平衡就是调整色温3.,光通量：,光源每秒种发出的可见光量之和，简单说就是,发光量,单位：流明（,lm,）,4.,照度：,单位面积内入射的光通量,，也就是光通量除以面积所得到的值单位：勒克司（,lux,）2.,光源参数,按发光形式：,1.,热辐射光源,电流流经导电物体，使之在高温下辐射光能的光源包括,白炽灯,和,卤钨灯,两种2.,气体放电光源,电流流经气体或金属蒸气，使之产生气体放电而发光的光源气体放电有,弧光放电,和,辉光放电,两种，放电电压有低气压、高气压和超高气压,3,种弧光放电光源包括：荧光灯、低压钠灯等低气压气体放电灯，高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯等高强度气体放电灯，超高压汞灯等超高压气体放电灯，以及碳弧灯、氙灯、某些光谱光源等放电气压跨度较大的气体放电灯辉光放电光源包括利用负辉区辉光放电的辉光指示光源和利用正柱区辉光放电的霓虹灯，二者均为低气压放电灯；此外还包括某些光谱光源3.,电致发光光源,在电场作用下，使固体物质发光的光源它将电能直接转变为光能包括,场致发光光源,和,发光二极管,两种3.,光源分类（简单说）,1.,镜面反射,2.,漫反射,3.,定向投射,4.,漫投射,5.,背反射,6.,吸收,实际的物体要比,上述简单模型复杂得多。

因此，为实物找一个合适的光源常常需要大量的实验4.,光源与被测物间的相互作用,1.,利用照明的光谱,（,1,）如果绿色背景上面的红色被测物需要增强，我们就可以使用红色照明，这时红色物体会更加明亮，同时绿色物体会变得暗淡2,）,CCD,和,CMOS,传感器对于红外光比较敏感（常常需要加上红外截止滤光片来避免图像过亮以及图像颜色变化）4.,如何利用光源,2.,利用照明的方向性,1.,图像采集卡，其功能是将图像信号采集到电脑中，以数据文件的形式保存在硬盘上4.,图像采集,/,处理卡,2.,图像采集卡原理,（,1,）视野,(FOV),或现场是相机及光学系统“看”到的真实世界的具体部分2,）,CCD,芯片将光能转化为电能3,）相机将此信息以模拟信号的格式输出至图像采集卡4,）,AD,转换器将模拟信号转换成,8,位（或多位）的数字信号每个象素独立地把光强以灰度值,(Gray level),的形式表达5,）这些光强值从,CCD,芯片的矩阵中被存储在内存的矩阵数据结构中3.,图像采集卡参数,(1),图像传输格式,格式是视频编辑最重要的一种参数，图像采集卡。